(57)【要約】【課題】接着剤や鉛を含有するＰＺＴ等を用いることなく、圧電特性および応答性の良好な多層構成の圧電素子を実現する。【解決手段】基体１に第１の電極２を成膜し、例えば酸化亜鉛等の圧電体３の間に中間層４を挟んだ３層の圧電積層体５を形成し、その上に第２の電極２を成膜する。２つの圧電体３は中間層４を挟んで結晶の分極方向が反対方向であるため、変位等が相殺され、良好な圧電特性を得ることができる。また、接着剤を用いる場合に比べて、共振周波数のばらつきを低減し、高品位な共振子や液体吐出ヘッド等を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極の間に複数の圧電体と少なくとも１つの中間層を有する圧電体積層構造であって、両電極間に、膜構成が「圧電体／中間層／圧電体」となる積層部位が１個または複数設けられており、前記中間層を介した圧電体同士は、互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とする圧電体積層構造。
【請求項２】
一対の電極の間に複数の圧電体と少なくとも３つの中間層を有する圧電体積層構造であって、両電極間に、膜構成が「中間層／圧電体／中間層／圧電体／中間層」となる積層部位が１個または複数設けられおり、前記中間層を介した圧電体同士は、互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とする圧電体積層構造。
【請求項３】
中間層の厚さの最大値が圧電体の厚さの最小値以下であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電体積層構造。
【請求項４】
圧電体および中間層が酸化物または窒化物であり、少なくとも一方の電極が酸化物であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の圧電体積層構造。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか１項記載の圧電体積層構造と、前記圧電体積層構造を支持する基体とを有することを特徴とする圧電素子。
【請求項６】
請求項５記載の圧電素子と、前記圧電素子によって駆動される駆動部を有する圧電体デバイス。
【請求項７】
請求項５記載の圧電素子と、前記圧電素子によって加圧される液室を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット、マイクロアクチュエータ、液体吐出ヘッド、圧電振動子、圧電共振器、フィルタ、超音波トランスデューサ、弾性表面波デバイス、センサなど、各種の圧電体デバイスに幅広く用いられる圧電体積層構造、圧電素子、圧電体デバイスおよび液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電素子に用いられる多層の圧電体積層構造は、セラミック板や単結晶を用いた複数の圧電体を分極処理し、この圧電体同士を分極方向が反対になるように接着剤で接着して積層していく構造となっていた。結晶中で分極方向を反転させる方法としては、ニオブ酸リチウム単結晶にチタンを拡散させることによりチタン拡散部分の分極方向を反転層とする方法が報告されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、圧電体材料に圧電特性の優れているチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた圧電体が、アクチュエータ等の各種の圧電体応用分野で使われている。ＰＺＴ以外の圧電体材料としては、用途に応じてニオブ酸リチウムやチタン酸ビスマス、水晶、酸化亜鉛、窒化アルミニウム等の無機材料やポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料も実用化されている。
【非特許文献１】中村他、電子通信学会技術研究報告、ＣＰＭ８６−１７（１９８６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような従来技術では、圧電体としてセラミック板や単結晶を用いているため、デバイスの高周波化に適していなかった。また、個々の圧電体の厚さも通常は１０μｍ以上であるために積層体が大型になり、機械加工が中心であるために半導体の微細加工に比べて精密構造の形成が困難であった。さらに、圧電体の厚さが厚いと共振周波数も低下するため、デバイスの高周波化には不適であり、使用できる駆動周波数を大きくすることができないという問題もあった。
【０００５】
さらに、圧電体同士を接着剤により積層する方法は、通常、接着剤が有機物であるために高温での使用ができなかった。加えて、接着剤の厚さも分布が大きいために圧電特性のばらつきが生じていた。
【０００６】
また、ニオブ酸リチウムにチタンを拡散させる方法は、チタンの拡散と分極方向を反転させるために１０００℃以上の高温が必要であるうえに、ニオブ酸リチウム単結晶が非常に高価であり、単結晶の結晶方位も限られる。さらに、チタンの拡散範囲も限定されるために分極方向を反転させた圧電体の厚さの制御に限界もあった。また、ニオブ酸リチウムを用いてチタンを拡散させる方法では、２層構造は作れるが、これ以上の多層化が困難であるという問題もあった。
【０００７】
圧電体材料としてのＰＺＴは、アクチュエータをはじめとして各種応用分野で使われているが、地球環境問題からＰＺＴを構成する鉛の使用制限が検討されている。すでに、圧電体応用分野以外では、はんだやレンズ等で鉛を全く含まない材料が使われるようになっている。このように、圧電体応用分野でも圧電特性が優れているだけでは、実用材料とは言えなくなっており、環境負荷の少ない材料で優れた圧電特性を実現することが急務になってきている。
【０００８】
また、各種の圧電体応用のデバイス製品の小型化も重要であり、このためには圧電体の厚さをより薄くして、機械加工では不可能な微細加工に対応する必要もある。
【０００９】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、接着剤や環境負荷の大きい圧電体材料を使用することなく優れた圧電特性を実現することができるとともに、機械加工だけでなく微細加工をも可能とする圧電体積層構造、圧電素子、圧電体デバイスおよび液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明の圧電体積層構造は、一対の電極の間に複数の圧電体と少なくとも１つの中間層を有する圧電体積層構造であって、両電極間に、膜構成が「圧電体／中間層／圧電体」となる積層部位が１個または複数設けられており、前記中間層を介した圧電体同士は、互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
圧電体同士の界面に中間層を配置した積層構造であり、中間層を介した圧電体同士は互いにその分極方向が反対方向である。従って、電圧印加時に中間層を介した圧電体同士は互いに反対方向に変位することになり、変位も力も改善することができ、同じ膜厚で１層のみで成膜された圧電体と比較して大きな圧電特性を得ることができる。
【００１２】
機械的耐久性や性能改善を確実にするためには、圧電体および中間層は、酸化物または窒化物とし、電極は圧電体との密着性が実用上問題なければどんな材料でもよいが、温度などの変動の大きな環境での使用や耐久性を要求するような場合には酸化物を用いることが好ましい。
【００１３】
例えば、圧電体として酸化亜鉛を用いた場合には、一般には金属電極を用いることが多いが、この場合には酸化亜鉛との密着性に課題が残り、電極はがれなどの問題が発生することがある。これを回避するために、酸化亜鉛にドーピング（たとえば、ガリウム）して導電性を付与したものを電極として用いる。この構成により、界面歪の少ない状態で圧電体と電極を積層することが可能である。
【００１４】
また、高周波応用分野においても、圧電体の層間に中間層があり、この中間層の存在により圧電体の分極方向が明確になるために、従来の接着剤を用いる場合に比べて、共振周波数のばらつきを少なくすることもできる。その結果、共振の度合いを示すＱ値も大幅に改善することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１の（ａ）に示すように、基体１に第１の電極２を積層した上に、２層の圧電体３の間に中間層４を挟んだ圧電体積層構造を有する圧電積層体５が形成される。圧電積層体５は、２層の圧電体３の界面に中間層４を配置した積層体であり、中間層４を介した圧電体３同士は、互いにその分極方向が反対方向である。また、圧電積層体５の上には導電性材料からなる第２の電極２が配置される。
【００１６】
各圧電体３および中間層４の製造方法としては、各種真空蒸着法、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などが一般的に使用できる。また、ゾルゲル法、水熱法、各種メッキ法や焼結法なども使用可能である。図１の（ａ）は、膜構成「電極／圧電体／中間層／圧電体／電極」を有する圧電体積層構造であるが、中間層を挟んで３層以上の互いに逆向きの分極方向を有する圧電体を積層した膜構成でもよい。
【００１７】
また、図１の（ｂ）に示すように、上下の電極１２とそれぞれ隣接する圧電体１３の間に中間層１４を加えた膜構成「電極／中間層／圧電体／中間層／圧電体／中間層／電極」を有する圧電積層体１５でもよい。さらに、中間層を挟んで３層以上の互いに逆向きの分極方向を有する圧電体を積層し、上下の電極との間にも中間層を介した膜構成でもよい。
【００１８】
各圧電体の厚さは、目的の用途に応じて任意に設定可能であるが、１層分の厚さは２０μｍ未満であることが望ましい。圧電体の厚さは、必ずしも同じ厚さでなくてもよいことは言うまでもない。また、圧電体材料としては、圧電特性を有する酸化物、窒化物であればいかなる材料も使用可能である。さらに、圧電体材料は同一材料である必要もなく、異なる組成、異なる結晶構造、異なる結晶状態を有する圧電体を組み合わせてもよい。ただし、環境問題を考慮すると、圧電体材料には、温度変化等により鉛、水銀、カドミウムやクロム等の重金属等の有害な元素を放出しない安定な材料であることが望ましいことは言うまでもない。
【００１９】
中間層の厚さは、目的の用途に応じて任意に設定可能である。中間層の厚さＴ１は、積層体を構成する圧電体の中で最も薄い圧電体の膜厚Ｔ２に対して、０＜Ｔ１≦Ｔ２の関係を満足することが望ましい。また、中間層に用いられる材料には何ら制限がないが、圧電材料と格子定数あるいは熱膨張係数が類似している材料が好ましい。
【００２０】
電極材料は、導電性材料であれば何でもよいが、酸化物導電性材料が好ましい。代表的な材料は、ガリウムなどをドーピングした酸化亜鉛やＩＴＯなどである。
【００２１】
このように、各圧電体は、セラミック板や結晶を用いることなく、真空蒸着法等の薄膜作製技術で製造されるため、各圧電体の厚さを薄くすることができるとともに、主に有機材料からなる接着剤を用いる必要がなくなる。同様に、中間層も、真空蒸着法等で製造されるため、中間層の厚さも薄くすることができる。
【００２２】
したがって、機械加工では不可能な微細加工に対応することもできるため、機械加工だけでなく、半導体加工技術を利用した微細加工およびレーザー光を利用した加工などを適用して圧電素子を加工することが可能となる。
【００２３】
上記のような圧電素子は、例えば、圧電定数ｄ31を利用する場合、上下の電極に交流電圧を印加すると、中間層を介した圧電体同士の分極方向が反転しているために、中間層を介して圧電体が互いに反対方向に変位することになる。
【００２４】
このため、圧電体を単独で用いた場合と比較して、変位も力も改善させることが可能であり、優れた圧電特性を実現することができる。特に、複数の圧電体を積層した構造にすることにより、印加電圧に対する変位特性のヒステリシスも緩和され、精密な変位を制御できるアクチュエータとして使用することができる。また、圧電特性が大きく改善されるため、上述のような環境負荷の少ない材料を用いた場合にも、優れた圧電特性を実現することができる。
【００２５】
なお、圧電体の層数は、目的の用途に応じて任意に設定可能である。例えば、高周波を用いる場合には圧電積層体の共振周波数やそのＱの値が問題になる。積層体を構成する圧電体の厚さや層数、面積などにより、目的の共振周波数を設定すればよい。このため、上記の膜構成では数十ＭＨｚから数百ＧＨｚの振動子や共振子を実現することができる。
【００２６】
図１の膜構成では、いずれも、積層体の厚さ方向に電界を印加する場合であるが、電極は、例えばどちらか一方に所望の配置で設けて面内方向に電界を印加して使用することも可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００２７】
本実施例では、以下のような方法で図１の圧電積層体５を有する圧電素子を作成した。
【００２８】
まず、石英ガラス（厚さ０．３ｍｍ）である基体１に、スパッタ法で第１の電極２を形成した。本実施例では、ガリウムを３％ドーピングした酸化亜鉛焼結体をターゲットとして２００ｎｍの厚さの電極とした。
【００２９】
次に、酸化亜鉛をターゲット材料としてＲＦスパッタ法で酸化亜鉛膜を５μｍ成膜して第１の圧電体３とし、続いて１００ｎｍの酸化マグネシウム膜を成膜して中間層４とした。
【００３０】
その後、酸化マグネシウム膜の上に、金属亜鉛をターゲット材料としてＲＦスパッタ法で酸化亜鉛膜を５μｍ成膜して第２の圧電体３とし、続いて、第２の電極２としてガリウムをドーピングした酸化亜鉛膜を２００ｎｍ積層し、圧電積層体５とした。
【００３１】
上記のように作成した圧電素子に電圧を印加して、光変位計により変位を測定した。測定方法は、図２に示すように、圧電積層体５を有する圧電素子を台６上に片持ち支持した状態で、下の電極２にリード線を取り付けて、電源７（本実施例では、５Ｈｚ〜５０Ｈｚの低周波交流電源を使用）で交流電圧を印加した。このように電圧が印加されると、圧電体３は、圧電体３の横効果により積層方向に垂直、つまり基体１の長手方向に収縮または伸長する。このために圧電積層体５は全体として基体１の長手方向に垂直に屈曲変形する。この変形を光変位計８で検出することにより圧電特性を調べた。本実施例では、圧電積層体５を幅が２ｍｍ、長さが１０ｍｍになるように機械加工により切断したものを試料として用いた。測定結果を図３に示す。
【００３２】
また、比較のために、本実施例の圧電積層体５の代わりに、金属亜鉛をターゲット材料として１０μｍの酸化亜鉛膜を成膜し、１層圧電体を形成した圧電素子、および、酸化亜鉛をターゲット材料として１０μｍの酸化亜鉛膜を成膜し、１層圧電体を形成した圧電素子についても上記と同様に変位を測定した。金属亜鉛をターゲット材料とした場合の測定結果を図４に示し、酸化亜鉛をターゲット材料とした場合の測定結果を図５に示す。図４および図５からわかるように、ターゲット材料を金属亜鉛から酸化亜鉛にすることにより、変位の位相が変化していることが確認された。
【００３３】
本実施例では、図３からわかるように、複数の圧電体の総膜厚が１０μｍと同じであっても、変位量が約２倍に増大していることが確認された。
【実施例２】
【００３４】
図６は、図１の（ａ）に示した圧電体積層構造を有する薄膜共振子を示すもので、シリコン（１００）ウエハーＳに酸化シリコン膜１ａをＲＦスパッタ法で２．５μｍの厚さで形成し、この酸化シリコン膜１ａを圧電体積層構造の基体として使用する。ついで、下電極となる電極２をＲＦスパッタ法で形成した。材料は、ガリウムをドーピングした酸化亜鉛膜であり、その膜厚は１５０ｎｍである。この電極２は、成膜後、図示するようにフォトリソグラフ技術によりパターニングした。
【００３５】
この電極２の上に圧電積層体５を構成する圧電体と中間層を交互に成膜する。まず、ＺｎＯ焼結体をターゲットとして２．２μｍの厚さにＺｎＯ膜を形成した。ついで、アルミナ膜を０．１μｍの厚さに、さらにＺｎ金属をターゲットにしてＺｎＯを２．２μｍの厚さで形成した。その後、上電極となる電極２としてＣｒ／Ａｕをそれぞれ１０ｎｍ／２００ｎｍの厚さに形成した。
【００３６】
最後に、シリコン（１００）ウエハーＳの裏面に酸化シリコン膜を２μｍ形成し、これをマスクになるようにパターニングしてからＥＤＰ液（４６％エチレンジアミン＋４％ピロカテコール＋５０％水）でシリコンをエッチングして開口１ｂを形成し、共振子を作製した。
【００３７】
上下の電極２間に電力を投入して、圧電積層体５の厚み方向の振動モードのアドミタンスを測定すると、図７のような結果であった。共振周波数は４６６．４ＭＨｚ、Ｑは６０００であった。この結果は、本実施例の圧電体積層構造が薄膜共振子として充分な機能を示すことを示している。これに対して、ＺｎＯ膜を１層とし、その厚さを４．５μｍ、酸化シリコン膜を２．５μｍとした場合には、共振周波数は、４６６ＭＨｚとほぼ同じであったがＱは７３０であった。
【実施例３】
【００３８】
図８に示す膜構成の圧電素子を有する共振子を作成した。まず、基体となるエポキシ板に第１の電極２２となるＡｕ／ＣｒをＲＦスパッタ法で形成する。この電極２２を所望の形状にパターニングしてから、エポキシ樹脂で、電極部分以外を覆う。ついで、金属アルミニウムをターゲットとして窒化アルミニウム膜の圧電体２３を８ｎｍ形成する。さらに、中間層２４として酸化マグネシウム焼結体を用いて酸化マグネシウム膜を１ｎｍ、窒化アルミニウム焼結体をターゲットとして窒化アルミニウム膜の圧電体２３を８ｎｍの厚さに形成する。このように、中間層２４を挟んで、窒素アルミニウム焼結体、金属アルミニウムをターゲットする圧電体２３の成膜を交互に２０００回繰り返し行った。この後、Ｃｒ／Ａｕの第２の電極２２を形成し、最後にエポキシ樹脂を取り除いて、共振子とした。
【００３９】
このようにして作製した共振子のアドミタンス特性を測定すると、図９のようになり、共振周波数が６０ＧＨｚ、Ｑが６００００の共振子が得られた。これに対して、窒化アルミニウム焼結体をターゲットとして窒化アルミニウム膜の単層膜を使用した場合には、共振周波数は同じであったが、Ｑは５９０であり、本実施例の方がＱを大幅に大きくできることが確認された。
【実施例４】
【００４０】
図１０に示すように、まず、シリコンウエハー３０を異方性エッチングして液体供給口３０ａ、液室３０ｂ、ノズル３０ｃ等を形成し、シリコンウエハー３０の表面に基体となる耐熱ガラスの振動板３１を陽極接合した。続いて、ガリウムをドーピングした酸化亜鉛の第１の電極３２を形成した。さらに、酸化シリコン焼結体をターゲットにして酸化シリコン膜（膜厚０．１μｍ）の中間層を形成し、ついで、酸化亜鉛焼結体をターゲットにして成膜した酸化亜鉛膜（膜厚６μｍ）の圧電体、酸化シリコン焼結体をターゲットとして成膜した酸化シリコン膜（膜厚０．１μｍ）の中間層、金属亜鉛をターゲットにして成膜した酸化亜鉛膜（膜厚７μｍ）の圧電体、酸化シリコン焼結体をターゲットとした酸化シリコン膜（厚さ０．１μｍ）の中間層を連続して成膜して、図１の（ｂ）に示す圧電積層体１５と同様の圧電積層体３５を液室３０ｂ上に形成した。その後、第２の電極３２としてＣｒ／Ａｕを取り付けた。最後に、フォトリソグラフィーにより幅２００μｍ、長さ３ｍｍにパターニングし、液体吐出ヘッドを作成した。
【００４１】
ここで、液体供給口３０ａから液体（例えば、水、アルコール、カラーインクなど）を供給し、圧電積層体３５にパルス電圧を印加したところ、ノズル３０ｃからの液体の吐出が観測された。この時の液体の吐出速度は、液体にイソプロピルアルコールを用いた場合、最高１３ｍ／ｓであった。
【００４２】
これに対して、酸化亜鉛膜を１０μｍの厚さに成膜して１層圧電体を形成した液体吐出ヘッドを作成し、同様の実験を行ったところ、パルス電圧を印加しても液体の吐出が観測されないことがあり、また、液体の吐出が観測されてもイソプロピルアルコールの吐出速度は最高２ｍ／ｓであった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】２つの実施の形態による圧電素子の構成を示す図である。
【図２】実施例１による圧電素子の変位測定方法を説明する図である。
【図３】実施例１による圧電素子の変位測定結果を示すグラフである。
【図４】一比較例による圧電素子の変位測定結果を示すグラフである。
【図５】別の比較例による圧電素子の変位測定結果を示すグラフである。
【図６】実施例２の膜構成を示す断面図である。
【図７】実施例２の高周波応答を示す図である。
【図８】実施例３の膜構成を示す断面図である。
【図９】実施例３の高周波応答を示す図である。
【図１０】実施例４による液体吐出ヘッドを示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    基体
１ａ    酸化シリコン膜
２、１２、２２、３２    電極
３、１３、２３、３３    圧電体
４、１４、２４、３４    中間層
５、１５、２５、３５    圧電積層体
３０    シリコンウエハー
３０ａ    液体供給口
３０ｂ    液室
３０ｃ    ノズル
３１    振動板
【図１】
2005353876.tif 000003
【図２】
2005353876.tif 000004
【図３】
2005353876.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005353876.tif 000007
【図６】
2005353876.tif 000008
【図７】
2005353876.tif 000009
【図８】
2005353876.tif 000010
【図９】
2005353876.tif 000011
【図１０】
2005353876.tif 000012